低自干扰的电力无线专网高可靠性规划方法

刘 锐, 于 佳, 赵高峰, 刘金锁, 李 洋

(南瑞集团(国网电力科学研究院)有限公司， 江苏省南京市 211106)

0 引言

为了支撑智能电网建设的核心任务和目标，电力系统需要建设覆盖广阔接入灵活的终端接入网[1]。光纤接入是用户体验最优的接入手段，但是存在敷设难度大、建设周期长、故障恢复时间长、投资成本高等问题，也无法满足移动接入类的需求，使得无线接入成为光纤接入的必要补充[2-3]。电力系统高度重视用于生产控制的电力监控系统及其通信网络的可靠性和安全性。发改委〔2014〕14号令、国能安全〔2015〕36号文、国网运检〔2016〕576号文等先后明确要求，电力监控系统应当与电力企业其他数据网及外部信息网的安全隔离，因此无线专网是电力系统终端接入网建设的必经之路[4-5]。

无线网络规划是无线工程建设的基础和关键环节[6-7]。根据国家电网有限公司Q/GDW 11664《电力无线专网规划设计技术导则》[8]，电力无线专网覆盖应满足配电自动化、用电信息采集、输变电状态监测等多业务需要，参考公网蜂窝网设计。在电力应用中，如果基站因为突发停电、设备故障、线缆损坏导致基站失效，或者因驻波比、噪声系数等关键指标异常必须安排停机维护，则常规规划下，该基站所接入的终端业务将无法维持，对于电力生产造成严重影响[9-10]。因此基站的规划应加强业务可靠性保障，即关键业务终端必须确保两个及以上的基站信号覆盖。这就产生了自干扰的隐患。公网在自干扰区域通过异频组网实现干扰规避，而电力系统频率资源紧张，异频组网存在无法实施的可能，因此有必要研究同频组网下低自干扰的高可靠性规划方法。

文献[11]研究了煤炭行业无线传感专网同频组网下的基站选址动态规划和优化算法，但方法利用了传感器网络的对称性，难以应用于非对称的蜂窝网络。文献[12]研究了所有基于正交频分复用(orthogonal frequency division multiplexing,OFDM)调制的无线网络同频组网时的小区间干扰协调(inter-cell interference coordination,ICIC)问题，给出了OFDM系统同频组网性能理论界和逼近该界的ICIC方法。文献[13-15]研究了公网超密集蜂窝组网提升终端和网络的可靠性、吞吐量、频率效率、能量效率等性能，并通过协作多点(coordinated multipoint,CoMP)技术进行同频组网干扰抑制。文献[16]研究了5G基站密集组网的规划问题，并提出了大规模优化策略。上述方法均将常规同频组网中多个相互干扰的基站进行信息联合处理，提升了每个终端和系统整体的性能。然而ICIC和CoMP等技术由于复杂度、成本、成熟度等原因现阶段并未规模化商用，电力系统在当前无线专网建设背景下急需过渡技术。

单一频率网络(single frequency network,SFN)是长期演进(long term evolution,LTE)系统降低干扰的措施之一[17]，其将蜂窝网络中覆盖交叠小区进行简单合并而不是联合处理，使交叠的小区退化为单小区，避免了覆盖交叠的干扰。SFN简单易实现，但是由于小区退化降低了系统容量，SFN在LTE公网目前主要应用于对干扰敏感的多媒体广播业务(multimedia broadcast multicast service,MBMS)。文献[18]研究了SFN网络能量优化的规划方法，文献[19]研究了SFN针对多媒体推送的优化辅助小区部署方法。电力无线专网高可靠性组网要求网络应为两重覆盖，在需要高可靠性保障的区域，重叠覆盖应该既不遗漏也不过度堆叠造成浪费。本文基于SFN技术提出一种电力无线专网规划方法，利用所提的方法实现了重叠覆盖提高了网络的可靠性，利用SFN小区合并降低了网络的自干扰，该规划方案解决了现有技术的基站间同频重叠覆盖将导致相互干扰，异频重叠覆盖可能受到频率资源制约无法实施的问题。

1 新型网络组网结构

电力无线专网每个基站包括安置在目标覆盖区域室外的远端射频单元(remote radio unit,RRU)，安置在中心机房中的基带单元(base band unit,BBU)，连接于远端射频单元和基带单元之间的光纤，一个基带单元通常可以支持多个远端射频单元。本节首先描述传统蜂窝组网结构，随后给出两种低自干扰高可靠性改进结构。

1.1 传统蜂窝组网

根据LTE物理层通用描述[20]，主同步序列标识(primary synchronization signal identifier,PSSI)表示一个基站的小区在基站内的标识，常规取值为0,1,2；基站的3个小区方向即指该基站PSSI为0，1和2的3个小区各自天线主瓣中心线方向相对于正北方向(0°)的方向角。

常规蜂窝通信系统组网部署方式及局部覆盖示意如图1所示。在单覆盖网络的布局中，基站依次按照0°，120°和240°这3个小区方向构造整个蜂窝网络。基站覆盖半径记为r，r也是小区的直径，基站间距记为d1，区域覆盖面积记为S，区域内基站数量记为n1。图中每个基站的每个小区内标注了其主同步序列号。

不失一般性，考虑常规蜂窝基站D内一个固定终端，由于基站天线前后隔离，基站D只有一个小区可以覆盖该终端，根据文献[21]，此终端的信号接收信噪比(signal to interference and noise ratio,SINR)为：

(1)

式中：Ψ为区域中基站的集合;PRN为终端的接收噪声功率；PRK为终端接收到的来自基站K的干扰信号功率；PRD为终端接收到来自归属基站D的信号功率。

PRD满足：

PRD=PSDΓD|hD|2GD

(2)

式中：PSD为基站D的发射功率；ΓD为基站D到终端的传输路径损耗(path loss,PL)，是空间距离、站高、频率和阴影衰落的确定函数[22]；|hD|2为基站D到终端之间快衰落的瞬时归一化功率；GD为终端位置处收发天线和馈线的净增益之和。PRK表达式与式(2)相似。

在图1中连接终端的实线示意归属基站D的信号，虚线示意终端相邻基站对其的干扰。

图1 传统蜂窝组网结构Fig.1 Structure of traditional cellular network

1.2 容灾组网结构一

在LTE网络中，可以通过增加基站密度，使同一个终端接收到一个以上的强度合格的基站信号，以避免基站故障导致终端服务失败。在单覆盖网络中增加相同配置的基站将增加覆盖重叠度。已有基站称为骨干基站，新增的基站称为容灾基站。直接加站后终端处的SINR为：

(3)

式中：Φ为容灾基站的集合。

γ2显然小于γ1，表明容灾基站引起严重自干扰。为了降低自干扰，本文按照文献[17]的方法对小区进行合并，再通过计算基站之间的站间距设置基站。小区合并可以选择采用支持SFN或自适应单一频率网络(adaptive SFN,ASFN)特性的基站实现。由于容灾前后的网络具有完全相同的覆盖区域和总用户数，因此容灾前后网络中的小区数量3n和小区半径r不变。由于每个小区需要重复覆盖一次，每个小区又必须遵循原有小区半径以容纳用户，因此网络容灾问题转化为在图1的六边形网格平面中如何增加基站的问题，使每个六边形网格发生且只发生一次2小区的合并。

在不改变原有站址情况下，增加一倍冗余覆盖的站址选择方法见图2。为避免多于一倍的过度冗余，容灾基站间隔性地安放在3个相邻骨干基站的交界位置，容灾基站每个小区与其面对的骨干基站的紧邻小区进行合并，使用与其合并小区完全相同的配置。这种方法可以实现两层覆盖既不遗漏也不浪费。具体合并的方法为，容灾基站间隔性地安放在3个相邻骨干基站的交界位置，并使天线朝向0°，120°和240°，容灾基站小区使用与其合并的骨干基站小区完全相同的配置，容灾基站120°小区与相邻骨干基站的0°小区重叠并合并，容灾基站的240°小区与相邻骨干基站的120°小区重叠并合并，容灾基站的0°小区与相邻骨干基站的240°小区重叠并合并。

图2 蜂窝容灾组网结构一Fig.2 Structure 1 of disaster-tolerate cellular network

由于骨干基站D与紧邻的容灾基站T小区合并，此时终端的SINR为：

(4)

式中：T为终端所在的容灾基站。

γ3显然大于γ2，因此提高了SINR，降低了自干扰。组网结构一的站间距计算方法如下，容灾基站至骨干基站间距d2与小区半径r的关系为：

(5)

网络基站数量n2=2n，覆盖区域面积S与基站数量n2的关系为：

(6)

(7)

由于基站故障往往出于停电、光缆被挖断等区域性影响，增加站间距有利于增加容灾基站和骨干基站之间的独立性。当网络允许骨干基站与容灾基站协同规划时，可以通过联合优化二者站址位置以实现更加均匀的分布。

1.3 容灾组网结构二

结构二见图3，骨干基站包括2种方向角，第1种为90°，210°和330°；第2种为30°，150°和270°。这2种方向角的基站交替部署构成骨干网络。容灾基站也包括2种方向角，第1种为90°，210°和330°；第2种为30°，150°和270°。这2种方向角的容灾基站按照图3的方式与骨干基站交织重叠覆盖部署。为了降低容灾基站的自干扰，将容灾基站小区与相邻骨干基站小区重叠的部分进行合并，具体为：容灾基站30°小区与相邻骨干基站的150°小区重叠并合并；容灾基站的150°小区与相邻骨干基站的30°小区重叠并合并，容灾基站的270°小区与相邻骨干基站的90°小区重叠并合并；容灾基站的330°小区与相邻骨干基站的210°小区重叠并合并，容灾基站的210°基站与相邻骨干基站的330°小区重叠并合并，容灾基站的90°小区与相邻骨干基站的270°小区重叠并合并。网络覆盖结构的图3与图2相比，覆盖区域面积S、小区半径r、基站总数量2n和合并后的小区总数量3n不变，但基站相对位置发生变化。

图3 蜂窝容灾组网结构二Fig.3 Structure 2 of disaster-tolerate cellular network

对于图3中基站D的终端，由于归属骨干基站D与紧邻的容灾基站T小区合并，此时终端的SINR为：

(8)

γ4显然大于γ2，因此提高了SINR，降低了自干扰。γ4与γ3实际上是同一表达式，只是输入条件Φ和Ψ不同。由于无法直接给出其与γ1的大小关系，因此在第3节仿真中，在实际网络中仿真了容灾结构中终端SINR相对于无容灾结构终端的SINR变化。

由于d3和d4这2种站间距的比例为1∶2，其平均站间距da为：

(9)

结构二在覆盖重叠度和抗干扰能力与结构一相同的情况下，将基站平均间距离提高了5.2%，达到均匀分布站间距的85.9%，增加了容灾可靠性。

1.4 网络规划流程

上述2种高可靠低自干扰组网结构，前者直接在传统单覆盖蜂窝网中增加容灾基站实现，适用于对已建网络的补强；后者为一种站间距更大的组网结构，其提供更好的异地容灾效果，需要改变传统蜂窝网络结构，因此可在新建网络中采用。将两种组网结构及电力业务特殊输入嵌入常规无线网络规划流程[6]可得到高可靠低自干扰的电力无线专网规划流程，如图4所示。规划流程包括以下5个步骤。

步骤1：需求分析和链路预算。电力无线专网链路预算与常规链路预算原理相同[6]，需求输入不同。电力业务终端位置固定，易于牵引天线到室外，从而避免公网15 dB的室内穿透损耗。电力业务以低速业务为主，发射功率相同时接收机实际工作带宽更窄，从而降低了噪声，提高了接收机灵敏度约8 dB。其他参数如热噪声功率谱密度、接收机噪声系数、上下行发射功率、天线增益、阴影衰落余量、干扰余量等与公网相同。按照文献[6]可计算最大路损(maximum allowed path loss,MAPL)。基于电力无线专网的基站和终端天线挂高、载波频率以及MAPL可以估算电力无线专网单覆盖网络基站间距离。

步骤2：准备工作。准备目标地区的栅格或矢量地图、获取终端热力分布并对目标地区的传播模型进行校正。

步骤3：组网结构设计。已有基站加强选择组网结构一；新建基站选择组网结构二。骨干基站和容灾基站的相对位置参数见第1节。

步骤4：基于SFN的覆盖仿真。在规划地区，基于部署的骨干基站容灾基站进行SFN小区合并[17]。根据规划地区的栅格地图，逐栅格进行路损计算，并根据路损计算逐栅格场强、信噪比、业务上下行速率等指标，统计在目标区域的各个指标的总覆盖率。

步骤5：基于SFN的蒙特卡洛容量仿真。在规划地区，基于上一步基站路损，结合规划地区的终端热力分布，通过渐进增加业务终端数量，产生上下行资源占用、底噪抬升等影响，计算目标区域的终端业务上下行速率、业务服务质量等指标。

图4 网络规划流程Fig.4 Flow chart of network planning

2 仿真分析

仿真采用无线通信专业规划仿真软件Atoll，其软件介绍、仿真原理及流程见文献[6]和文献[7]。Y市为一般性小城市，面积132 km2，地势平坦，全市地形落差在3 m以内，已建基站2座。需要针对58 km2的市区进行全覆盖，并保障中心城区和工业区内业务的可靠性。安装终端为固定用户设备(customer premise equipment,CPE)，边缘速率为256 kbit/s，链路预算见附录A表A1。

根据链路预算结果，256 kbit/s业务在目标地区的小区半径约为1.36 km，在市区新建骨干基站5座，在中心城区及工业区按上节方法部署容灾站点4座(图中红圈处)，一共建设基站11座。同频组网时重叠覆盖的基站分布和覆盖仿真见附录A图A1。仿真数值结果见附录A表A2，其中，参考信号接收功率(reference signal receive power,RSRP)值大于-115 dBm的区域占99.3%，SINR的值大于-3 dB的区域占79.2%。从仿真结果可见，容灾基站与骨干基站共同覆盖时，由于严重的同频自干扰，其信噪比覆盖率不符合文献[8]的要求。附录A表A3为终端(附录A图A1中标注⨁处)的单点静态仿真结果，其RSRP值为-102.1 dBm，SINR值为-5.47 dB，说明该位置的用户由于自干扰导致业务无法开展。

附录A图A2是对A1场景应用本文所提方案后的覆盖仿真。对已建基站选择组网结构一进行SFN小区合并，新建基站选择组网结构二进行SFN小区合并，合并步骤见1.2节和1.3节。仿真结果见附录A表A4，其中RSRP值大于-115 dBm的覆盖区占99.3%，SINR值大于-3 dB的覆盖区占93.1%。从仿真结果可见，由于合并了干扰小区，显著降低了自干扰的问题，SINR覆盖率提高了13.9%，满足电力无线专网的覆盖要求[8]。附录A表A5为相同位置终端的单点静态仿真，其RSRP值为-101.4 dBm，SINR值为1.51 dB，信噪比提高了约7 dB，补充反映了小区合并对自干扰降低的程度。

附录A图A3是本所提方案在重点区域内发生基站故障时的覆盖仿真结果。假设D站和G站发生故障，附录A表A6是仿真数值结果，其中，RSRP值大于-115 dBm的覆盖区占98.9%，SINR值大于-3 dB的覆盖区占94.8%，数值结果与附录A表A4无故障时的结果相近。表明在基站故障时，由于存在容灾基站，覆盖区域的场强和信号质量没有显著变化，满足电力无线专网的覆盖要求[8]，达到了容灾的目的。附录A表A7是相同位置终端的静态仿真结果，其中RSRP值为-101.99 dBm，SINR值为3.95 dB，说明终端可以开展业务。

3 结语

本文基于SFN技术提出一种低自干扰的电力无线专网高可靠性规划方法。利用基站信号的重叠覆盖提高基站故障时用户业务存活的能力，利用SFN小区合并保证业务性能不受影响，利用所提出的优化的基站部署结构，实现在基站数量相同的情况下，增加网络完全重叠覆盖时的平均站间距离，从而提高了异地容灾的效果。经过仿真验证了所提方法的正确性。

附录见本刊网络版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

刘 锐(1981—),男,博士,高级工程师,主要研究方向:无线通信及电力应用。E-mail: liurui2@sgepri.sgcc.com.cn

于 佳(1987—),女,通信作者,硕士,工程师,主要研究方向:电力通信系统规划与优化。E-mail： yujia@sgepri.sgcc.com.cn

赵高峰(1967—),男,硕士,教授级高级工程师,主要研究方向:电力系统通信。